Эффек МГД в электролитах

Изучение МГД

Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. В таком устройстве на заряды должны действовать сторонние силы неэлектрического происхождения. Если растворить в воде кристаллы поваренной соли, то они в результате электролитической диссоциации распадается на положительные и отрицательные ионы. Эти ионы участвуют в хаотическом тепловом движении. Для усиления теплового движения сосуд с раствором электролита можно подогревать снизу. Под влиянием тепловой конвекции возникают упорядоченные потоки электролита. Если в стакан с раствором поваренной соли поместить два электрода, а сосуд расположить между полюсами постоянного магнита, то магнитное поле должно упорядочить тепловое движение ионов. На движущиеся ионы действует сила Лоренца, она и является сторонней силы. Гальванометр, подключённый к электродам, должен показывать наличие тока. На этом принципе работает МГД-генератор (магнитогидродинамический генератор) – установка для непосредственного преобразования тепловой энергии вещества (плазмы или проводящей жидкости) в электрическую энергию. Для исследования МГД-эффекта была проведена следующая экспериментальная работа. В сосуд из стекла налили раствор поваренной соли (NaCl). В качестве электродов использовали алюминиевые пластины, расположенные вертикально на расстоянии 2 см друг от друга. Сосуд расположили в магнитном поле постоянного магнита. Для усиления теплового движения частиц в жидкости стакан подогревали снизу. Значение возникающего ЭДС (электродвижущей силы) измеряли с помощью милливольтметра. В ходе эксперимента измеряли температуру нижнего и верхнего уровня жидкости в стакане, при этом вели наблюдение за показанием милливольтметра. По мере изменения температуры электролита изменялось значение ЭДС. До достижения определённой температуры показание милливольтметра увеличивалось, затем начало уменьшатся. Наибольшее значение ЭДС для разных концентраций раствора разное. Для сравнения проводили опыт без постоянного магнита с теми же составами электролита. Результаты получились другие. При проведении опыта с электролитами без магнитного опыта было обнаружено, что полярность электродов иногда менялась на противоположную (стрелка милливольтметра отбрасывалась в обратную сторону) и значение, показываемое милливольтметром, было небольшим. Таким образом была исследована работа источника тока, где кинетическая энергия теплового движения частиц электролита преобразуется в электрическую. На движущиеся ионы действует сила Лоренца, она и является сторонней силой, создающей в цепи электрический ток. Значение ЭДС такого источника тока меняется от значения концентрации и температуры раствора электролита.

Изучение магнитогидродинамического эффекта в электролитах

Вода – весьма распространённое на Земле вещество. Природная вода не бывает совершенно чистой, в ней растворены много примесей. Растворённые вещества удаляют из неё путём перегонки (дисциляции). Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Чистая дисциллированная вода практически диэлектприк. Электролитами называют вещества, растворы которых проводят электрический ток. При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Степень диссоциации (доля молекул в растворённом веществе, распавшихся на ионы) зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя. Если растворить в воде кристаллы поваренной соли, то она в результате электролитической диссоциации распадается на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Поваренная соль диссоцируется. Распад электролитов в воде на ионы объясняется ослаблением кулоновых сил притяжения между ионами кристаллической решётки вследствии влияния электрического поля молекул растворителя. Из всех жидкостей самой большой диэлектрической проницаемостью обладает вода (Е=81). Поэтому диссоциация солей особенно велика в воде. Ионы являются свободными носителями электрических зарядов. Образовавшиеся ионы участвуют в хаотическом тепловом движении, с повышением температуры тепловое движение молекул становится более интенсивным.

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца. Силу Лоренца Fл, действующую на частицу с зарядом g0, движущую её со скоростью V под углом ( к вектору индукции магнитного поля B, можно найти по формуле Fл = B*(g0(*V*sin(. Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и V, и её направление определяется с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда, то отогнутый на 90( большой палец покажет направление на заряд силы Лоренца. Если в стакан с раствором поваренной соли (NaCl) расположить между полюсами магнита, то магнитное поле должно упорядочить тепловое движение ионов.

Если в однородном магнитном поле частица движется со скоростью V перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, вектору В, то сила Лоренца Fл перпендикулярна векторам V и В.

Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы используется в технике для преобразования кинетической энергии плазменной струи в электрическую. Такие генераторы называются магнитогидродинамическими генераторами или сокращённо МГД-генераторами. Схему действия МГД-генератора проиллюстрируем по рисунку. В результате сгорания топлива образуются, находящиеся при высокой температуре сильно ионизированные газы – плазма.

Поток плазмы направляется в поперечное магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы электроны и ионы с силой Лоренца, направленной перпендикулярно к скорости их движения.

В результате этого положительные ионы отклоняются в одну сторону, а электроны и отрицательные ионы – в другую. Один электрод (А) электризуется положительно, а другой (К) – отрицательно. Выводы от этих электродов и являются полюсами генератора. При прохождении плазменной струи в магнитном поле между электродами происходит её торможение, т. е. уменьшение скорости струи и, следовательно, кинетической энергии этой струи. Таким образом, в МГД-генераторах кинетическая энергия плазменной струи преобразуется непосредственно в электрическую энергию.

В стакан с раствором поваренной соли поместим два электрода, а сосуд расположим между полюсами магнита. Ионы Na(+) и Cl(-) участвуют в тепловом движении. Кроме того со свободной поверхности происходит испарение жидкости, что приводит к появлению конвекционных потоков жидкости. На движущиеся заряды действует сила Лоренца и упорядочивает их движение. Гальванометр, подключенный к электродам, должен показывать наличие тока. Объясняя данное явление, можно рассмотреть принцип работы МГД-генераторов, где кинетическая энергия плазменной струи преобразуется в электрическую. В данном случае под влиянием теплового движения в пространстве между электродами в магнитном поле возникают упорядоченные потоки электрических заряженных частиц. На движущиеся ионы действует сила Лоренца, она и является сторонней силой, создающей в цепи электрический ток. Данное явление аналогично МГД-эффекту.

Нас интересовала возможность практического получения источника тока с помощью МГД-эффекта в электролитах. В качестве электролита был использован раствор поваренной соли (NaCl) в воде с начальной температурой 20 ºС. Для измерения жидкости использовали лабораторную мензурку с пределом измерения до 100 мл. Взвешивание производили с помощью учебных весов и гирями ВГУ-1. В ходе эксперимента проверяли зависимость ЭДС от концентрации раствора и от его температуры (измеряли температуру нижнего и верхнего слоя электролита в сосуде). Для измерения температуры использовали лабораторные жидкостные термометры с пределом измерения 100 ºС. В сосуд с раствором электролита установили два электрода на расстоянии 2 см, в качестве электродов использовали две алюминиевые пластины с размером 0,2*3*14 см. Сосуд с раствором поваренной соли поместили в магнитное поле постоянного магнита (использовали постоянный магнит от школьного демонстрационного вольтметра). Линии индукции магнитного поля направлены параллельно электродам. Для подогрева электролита использовали электроплитку мощностью 350 Вт. Под влиянием тепловой конвекции между электродами возникают упорядоченные потоки жидкости. Конвекция вызывается наличием в сосуде разности температур нижнего и верхнего слоя жидкости. При этом на движущиеся ионы начинает действовать сила Лоренца. Под действием силы Лоренца положительные и отрицательные ионы движутся к разным электродам, возникает ЭДС. Для измерения ЭДС использовали милливольтметр. По мере изменения температуры электролита показание милливольтметра увеличивалось, затем начало уменьшаться. При увеличении концентрации раствора значение ЭДС возрастало, максимальное значение наступало при других температурах. В ходе проведения эксперимента были использованы растворы с концентрацией 2%, 5%, 10%, 15%. Во второй раз с этими же растворами провели опыты без магнитного поля. При его отсутствии милливольтметр тоже показывал небольшое значение разности потенциалов между электродами, но при одинаковой температуре это значение было во много раз меньше, чем в случае с магнитом. В ходе эксперимента было обнаружено, что полярность электродов иногда менялась на противоположную (стрелка милливольтметра отбрасывалась в обратную сторону).